چگونه‌اکثریت جرم قابل‌مشاهدهٔ جهان تولید می‌شود: آزمایش‌ها به بررسی ظهور جرم هادرون می‌پردازند
توسط مرکز شتاب‌دهنده ملی توماس جفرسون
ویرایش‌شده توسط سیدی هارلی، بازبینی‌شده توسط رابرت ایگان
در عمق اصل مسأله، برخی از اعداد سازگاری ندارند. برای مثال، اگرچه پروتون‌ها و نوترون‌ها از کوارک‌ها، بلوک‌های بنیادی طبیعت که توسط گلوون‌ها به‌هم پیوسته‌اند، تشکیل می‌شوند، جرمی که آنها دارند بسیار بیشتر از جرم‌های منفرد کوارک‌هایی که آنها را می‌سازند، است.
این موضوع معمای مرکزیی را به‌وجود می‌آورد… چرا؟ در نظریهٔ نیروی قوی، که به‌عنوان کرومودینامیک کوانتومی یا QCD شناخته می‌شود، کوارک‌ها جرم لامب‌شان را از طریق مکانیزم هیگز به‌دست می‌آورند. این فرآیند که مدت‌ها پیش پیش‌بینی شده بود، توسط آزمایش‌های بزرگ‌سرنشین‌ساز سرن در سوئیس تأیید شد و منجر به دریافت جایزه نوبل برای پیتر هیگز در سال ۲۰۱۳ شد.
با این حال مسألهٔ غیرقابل‌انکار این است که «این مکانیزم کمتر از ۲ ٪ از جرمی که برای پروتون و نوترون اندازه‌گیری شده است را تشکیل می‌دهد»، گفت ویکتور موکیف، دانشمند پژوهشی و فنامنولوژیست در مرکز شتاب‌دهنده ملی توماس جفرسون.
«این به‌وضوح نشان می‌دهد که بخش عمدهٔ جرم مادهٔ واقعی از طریق مکانیزم دیگری تولید می‌شود، نه توسط هیگز. بقیه از پدیده‌های ظهور یافته به‌دست می‌آید.»
جرم‌ناشناس و نحوهٔ بروز آن سال‌هاست که به‌عنوان مسأله‌های باز در فیزیک هسته‌ای مطرح بوده‌اند، اما دانشمندان در آزمایشگاه جفرسون اکنون درک دقیق‌تری از این فرآیند تولید جرم نسبت به پیشین‌ها به دست می‌آورند.
پس چه عاملی وزن افزوده‌ای به پروتون‌ها و سایر ذراتی که به‌طور قوی با یکدیگر تعامل دارند (که به‌صورت کلی هادرون نامیده می‌شوند) می‌دهد؟ پاسخ در دینامیک QCD نهفته است. از طریق QCD، نیروی قوی جرم را از انرژی ذخیره‌شده در میدان‌های کوارک‌ها و گلوون‌های به‌طور قوی تعامل‌کننده تولید می‌کند. این پدیده به عنوان ظهور جرم هادرون، یا EHM، شناخته می‌شود.
آغاز شفافیت
در دههٔ گذشته، پیشرفت‌های چشمگیری در درک بخش غالب جرم قابل‌مشاهدهٔ جهان حاصل شد. این پیشرفت‌ها حاصل مطالعاتی دربارهٔ وابستگی فاصله (یا تکانه) نیروی قوی در چارچوبی مبتنی بر QCD که به‌نام روش پیوسته شُرینگر (CSM) شناخته می‌شود، است.
با اتصال CSM و آزمایش‌ها از طریق فنامنولوژی، فیزیک‌دانان تقریباً ۳۰ سال داده جمع‌آوری‌شده در آزمایشگاه جفرسون را تحلیل کردند. این تلاش جامع برای اولین بار، بینش دقیق‌تری از مکانیسم‌های مسئول EHM در اختیار دانشمندان قرار داد.
از اولین آزمایش‌های سال‌های ۱۹۹۰ تا کشفیاتی که توسط ارتقاء احتمالی انرژی شتاب‌دهنده پر شدت جفرسون ممکن می‌شود، این مطالعهٔ عظیم در جلد ویژه‌ای از نشریهٔ Symmetry به تصویر کشیده شد.
«این بیش از آن چیزی است که از یک آزمایش یا مجموعه‌ای از آزمایش‌ها می‌توانید ببینید»، گفت دانیل کارمن، فیزیک‌دان تجربی هسته‌ای در آزمایشگاه جفرسون. «این نتایج حاصل سال‌ها کار ما در جفرسون است. هنوز کارهای بسیاری پیش‌رو داریم، اما این گامی بزرگ در مسیر پیشرفت است.»
در عمق تلاش برای درک ظهور جرم
QCD دینامیک اساسی‌ترین مؤلفه‌های مادهٔ شناخته‌شده تا کنون را توصیف می‌کند: کوارک‌ها و گلوون‌ها. از طریق فرآیندهای QCD، تمام مادهٔ هادرونی به وجود می‌آید. این شامل پروتون‌ها، نوترون‌ها، سایر سیستم‌های بستهٔ کوارک‑گلوون و در نهایت تمام هسته‌های اتمی می‌شود. ویژگی متمایز نیروی قوی، تعامل خودی گلوون است.
«بدون تعامل خودی گلوون، جهان کاملاً متفاوت می‌بود»، موکیف گفت. «این ویژگی زیبایی را از طریق ویژگی‌های مختلف ذرات به‌وجود می‌آورد و پدیده‌های هادرونی واقعی را از طریق فیزیک ظهور یافته شکل می‌دهد.»
به‌دلیل این خاصیت، نیروی قوی به‌سرعت با فاصله تغییر می‌کند. این تکامل دینامیک نیروی قوی در چارچوب روش CSM توصیف می‌شود. در فواصلی که به اندازهٔ هادرون، یعنی حدود ۱۰-13 سانتی‌متر می‌رسند، مؤلفه‌های مرتبط دیگر کوارک‌ها و گلوون‌های خام QCD نیستند.
در عوض، کوارک‌ها و گلوون‌های پوشانده ظاهر می‌شوند؛ هنگامی که کوارک‌ها و گلوون‌های خام درون ابرهای کوارک‌ها و گلوون‌های به‌طور شدید متصل که به‌صورت پیوسته ایجاد و نابود می‌شوند، این پوشش‌ها شکل می‌گیرد.
در این حوزه، کوارک‌های پوشانده جرمی به‌صورت دینامیکی تولید می‌شوند که با فاصله تغییر می‌کند. این امر توضیح طبیعی برای EHM فراهم می‌کند: تغییری از کوارک‌های تقریباً بی‌جرم (با جرمی چند میگا‌الکترونی) به کوارک‌های کاملاً پوشانده با جرم حدود ۴۰۰ MeV. تعاملات قوی بین سه کوارک پوشاندهٔ پروتون، جرم حدود ۱ GeV و همچنین جرم‌های حالت‌های برانگیختهٔ آن در دامنهٔ ۱.۰‑۳.۰ GeV را ایجاد می‌کند.
این سؤال را برمی‌انگیزد: آیا می‌توان EHM را با ترسیم وابستگی تکانه‌ای جرم کوارک پوشانده از مطالعات تجربی پروتون و حالت‌های برانگیختهٔ آن روشن کرد؟
آزمایش‌های آزمایشگاه جفرسون: تقابل با نظریه
تسهیل‌گاه شتاب‌دهندهٔ پیوستهٔ پرتو الکترونی (CEBAF) در آزمایشگاه جفرسون یک مرکز کاربری تحت نظارت دفتر علوم وزارت انرژی (DOE) است که از بزرگ‌ترین جامعهٔ کاربران علمی کشور پشتیبانی می‌کند. این تسهیلات پرتوهای الکترونی و فوتونی با شدت بالا، با انرژی تا ۱۲ GeV، به هدف‌های هسته‌ای در چهار تالار آزمایشی جفرسون می‌فرستد.
در تالار آزمایشی B، یک آشکارساز سه طبقه‌ای به نام طیف‌سنج پذیرش وسیع CEBAF برای ۱۲ GeV (CLAS12) قرار دارد. این دستگاه که از نسخهٔ پیشین‌اش با انرژی ۶ GeV (CLAS) ارتقا یافته است، توانایی شناسایی ذرات تولید‌شده هنگام پراکندن الکترون‌ها از پروتون‌ها را دارد، در حالی که دامنهٔ وسیعی از زوایای انتشار ذرات را پوشش می‌دهد.
مطالعاتی که از داده‌های جمع‌آوری‌شده با CLAS و CLAS12 به دست آمده‌اند، که پروتون و حالت‌های برانگیختهٔ آن را بررسی می‌کنند، امکان تحلیل ساختار این حالت‌ها را فراهم می‌سازند. این اطلاعات به‌دست‌آمده تجربی می‌تواند به‌صورت مستقیم با پیش‌بینی‌های CSM که تکامل فاصله‌ای کوارک‌ها و گلوون‌ها را توصیف می‌کند، مقایسه شود تا پارادایم EHM را به‌صورت جزئی ارزیابی کند.
این تحقیقات، با مقایسهٔ آزمایش با نظریه، به‌صراحت نشان می‌دهند که کوارک‌های پوشانده با جرمی که به‌صورت دینامیکی تولید می‌شود، درجات فعال اصلی ساختار پروتون و حالت‌های برانگیختهٔ آن هستند. همچنین این نتایج مورد استفادهٔ نتایج تجربی از آزمایشگاه جفرسون برای ارزیابی مکانیسم‌های مسئول EHM را مستحکم می‌سازند.
«این نوع کار نیازمند هم‌افزایی بین آزمایش، فنامنولوژی و نظریه است»، کارمان گفت. «برای رسیدن به فیزیکی که می‌خواهیم کشف کنیم، همه این مشارکت‌کنندگان باید به‌صورت نزدیک و هماهنگ با یکدیگر کار کنند.»
تکمیل تصویر
«ما کارهای بسیار بیشتری پیش‌رو می‌بینیم»، موکیف گفت.
آزمایش‌های دوران ۶ GeV CEBAF محدودهٔ تکانه (یا فاصله) کوارک‌های پوشانده را مورد بررسی قرار دادند که در آن حدود ۳۰ ٪ از جرم هادرون تولید می‌شود. داده‌های دوران ۱۲ GeV CEBAF—که هنوز در حال جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل‌اند—این پوشش را تا حدود ۵۰ ٪ گسترش می‌دهند. آزمایش‌های آینده با پرتو الکترونی با انرژی بالاتر، امکان پوشش کامل حوزهٔ فاصله‌ای را که در آن بخش غالب جرم هادرون ظاهر می‌شود، فراهم می‌سازند.
«وقتی این اطلاعات را از داده‌های آزمایش‌های آینده به‌دست می‌آوریم، قادر خواهیم بود دامنهٔ کامل فواصل را که بخش عمدهٔ جرم و ساختار هادرون در آن ظاهر می‌شود، نقشه‌برداری کنیم»، موکیف گفت.
اطلاعات بیشتر: پاتریک آچنباخ و همکاران، الکتروکشش رزونانس‌های نوکلئونی و ظهور جرم هادرون، Symmetry (2025). DOI: 10.3390/sym17071106. www.mdpi.com/2073‑8994/17/7/1106
اطلاعات نشریه: Symmetry
ارائه شده توسط مرکز شتاب‌دهنده ملی توماس جفرسون
استناد: چگونه‌اکثریت جرم قابل‌مشاهدهٔ جهان تولید می‌شود: آزمایش‌ها به بررسی پدیدار شدن جرم هادرون می‌پردازند (2025، ۱۸ نوامبر) دریافت‌شده در تاریخ ۲۱ نوامبر ۲۰۲۵ از https://phys.org/news/2025-11-universe-visible-mass-generated-explore.html
این سند تحت حق‌کپی‌رایت است. به‌جز استفاده عادلانه برای مطالعهٔ خصوصی یا پژوهش، هیچ بخشی از آن بدون اجازه کتبی قابل بازآفرینی نیست. محتوای این صفحه صرفاً جهت اطلاع‌رسانی ارائه شده است.